Development of a closed cycle dilution refrigerator for astrophysical experiments in space
Développement d'un réfrigérateur à dilution en boucle fermée pour expériences d'astrophysique dans l'espace
Résumé
Several satellite missions are being proposed to resolve many of the unanswered questions regarding the Universe. Instruments on some of these missions will require temperatures below 0.1 K to operate eff ectively. This requirement means that the cooling chain is a crucial element of the satellite's design. The cryogenic speci fications of these future missions are more demanding than the current state of the art: they will require a cooling power of 1 W at a temperature of 50 mK for a lifetime of 5-10 years. This has motivated the development of a closed-cycle 3He-4He dilution refrigerator. This design is based on the open-cycle dilution refrigerator used on the Planck satellite, whose lifetime and cooling power were limited by the on-board supply of 3He and 4He, since the mixture was ejected into space after the dilution process. To overcome these limitations, the cycle has been closed by separating the helium isotopes at low temperatures and re-injecting them into the refrigerator. This thesis describes the progress in the development and comprehension of this new closed-cycle system and shows that the cooling requirements (1 W at 50 mK) can be met under the required conditions. This work also attempts to solve a problem related to a micro-gravity environment: the vapor-liquid phase separation in the still. Our experimental results show that liquid con finement in the still under required conditions and negative-gravity is possible. These results have driven the design of a novel gravity-insensitive still, the last step in developing a closed-cycle dilution refrigerator adapted to zero-gravity.
Plusieurs missions sur satellite sont propos ées pour r ésoudre un grand nombre de questions sans r éponse concernant l'univers. Les instruments sur certaines de ces missions n écessitent des temp eratures inf erieures a 0,1 K pour fonctionner e cacement. Cette exigence signi e que la cha îne de refroidissement est un él ément crucial de la conception du satellite. Les sp éci cations cryog éniques de ces futures missions sont plus exigeantes que l' état de l'art actuel : elle auront besoin d'une puissance frigorifi que plus élev ée à une temp érature inf érieure et avec à une dur ée de vie prolong ée de 5 a 10 ans. Cela a motiv é le d éveloppement d'un r éfrig érateur à dilution 3He-4He en boucle ferm ée. Cette conception est bas ée sur le r éfrig érateur à dilution à cycle ouvert utilis é sur le satellite Planck, dont la durée de vie et la puissance frigori fique ont été limitées par la quantité d'3He et d'4He à bords, le mélange étant éjecté dans l'espace apr ès le processus de dilution. Pour surmonter ces limitations, le cycle a été ferm é par la s éparation des isotopes de l'hélium à basse temp érature avant de les réinjecter dans le réfrig érateur. Cette th èse d écrit les progr ès r éalis és dans le d éveloppement et dans la compr éhension de ce nouveau syst ème, et montre que les exigences de refroidissement (1 W a 50 mK) peuvent être satisfaites dans les conditions requises. Ce travail tente également de résoudre un probl ème li é à la micro-gravit é : la s éparation de phase liquide-vapeur dans le bouilleur. Nos r ésultats exp erimentaux montrent que le con finement du liquide dans le bouilleur dans les conditions requises et en gravit é n egative est possible. Ces r esultats ont guid é la conception d'un nouveau bouilleur non-sensible à la gravit é, derni ère étape du d éveloppement d'un r éfrig érateur à dilution en boucle ferm ée adapt é à la micro-gravit é.